近年来,随着能源消耗和环境污染的不断加剧,可持续再生能源和电化学储能技术的开发利用成为人们关注的焦点。在众多储能设备中,锂离子电池由于具有工作电压高,比能量大,高低温性能和安全性能好,存储和工作寿命长等优点,自商品化以来的近三十年间己被广泛用作便携式电子产品的电源以及电动汽车的动力电池。然而,电子设备不断更新换代和电动车的普及对锂离子电池的性能提出了更高的要求,尤其是在能量密度方面。传统的石墨负极材料受限于较低的理论比容量,阻碍了锂离子电池能量密度的进一步提高,因此寻找新型高容量负极材料至关重要。在无机材料方面,目前研究的热点有转化型和合金化负极材料。这类材料具有很高的理论容量,但在充放电过程中存在严重的体积膨胀问题,循环性能较差。在有机材料方面,共轭羰基化合物有着较好的反应动力学和理论容量。遗憾的是,这类材料易溶于有机电解液中,从而导致活性材料的大量损失。本论文针对不同负极材料所存在的不足和缺点,从设计和优化材料结构入手制备出了高容量,长循环寿命的锂离子电池负极材料。具体研究内容如下:第一,在新型负极材料研究中,转化型材料备受关注。作为转化型负极材料的Fe₃O₄具有理论容量高,资源丰富和环境友好等优点。然而,Fe₃O₄基材料的体积膨胀和导电性较差等问题严重制约了其商业化应用。为了解决这些问题,我们首次结合水热法和磁性自组装法制备了取向排列氮掺杂碳包覆中空Fe₃O₄材料（OH-Fe₃O₄@NC）。这种独特结构设计有以下优点:（1）中空结构能有效缓解充放电过程中材料的体积膨胀;（2）氮掺杂碳层能有效加强离子和电子的传输能力,降低极化,增强电极的倍率性能;（3）连续的碳层增强了结构稳定性,防止材料在循环过程中破裂。研究结果显示,OH-Fe₃O₄@NC作为锂离子电池负极具有优异的电化学性能,特别是具有很好的循环稳定性和倍率性能。在0.01 A g^-1电流密度下循环50周后可逆容量仍高达1316 mAhg^-1。在1,4和10 A g^-1等不同的电流密度下,该电极表现出了725,551和361 mAhg^-1的可逆容量。非原位扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（HRTEM）等测试表征结果表明,这种中空结构设计在缓解材料的体积膨胀中发挥了重要作用。第二,含有多个活性位点的醌类化合物在电化学过程中能够发生多电子可逆反应,使其具有较高的储锂容量,因此该类材料也成为了新型负极材料的研究热点之一。其中,四羟基苯醌作为一种常用的醌类化合物,受到了国内外研究者的广泛关注。然而,包括四羟基苯醌在内的醌类化合物也面临如下一些难点的问题:（1）易溶于有机电解液,导致循环过程中活性材料大量损失;（2）导电性太差,严重影响材料的倍率性能。针对上述问题,我们首次合成了四羟基苯醌接枝石墨烯材料（THBQ-GO）,并通过红外谱图（FT-IR）,拉曼谱图（Raman）和X射线光电子能谱（XPS）等测试表征手段证实了接枝过程的存在。这种材料有以下特点:（1）接枝位点的存在有效地抑制了有机活性材料的溶解;（2）石墨烯片层为电子传递提供通道,提高材料整体电导率;（3）我们发现接枝处的酯基对材料的电化学容量有显著贡献。THBQ-GO作为锂离子电池负极材料不仅具有很高的储锂容量,还具有很好的循环稳定性和良好的倍率性能。该电极材料在0.05 A g^-1的电流密度下拥有1075.9 mAhg^-1的充放电容量,循环100周后仍能保持88.9%的容量。当电流密度提高到1,4和10 A g^-1时,THBQ-GO电极仍能提供525.9,284.7和163.7 mAhg^-1的较高容量。在通过非原位FT-IR和XPS等手段分析材料电化学过程的基础上,对其储锂机理进行了仔细的深入分析。第三,有机羰基化合物具有容量高,反应动力学快,原材料来源丰富和对环境友好等优点,其作为锂离子电池负极材料的研究也得到人们的广泛关注。受到第二部分工作的启发,我们仍采用接枝方法有效改善了羰基化合物易溶解和导电性差等问题。首次合成了白屈氨酸接枝石墨烯材料（CA-GO）,并利用FT-IR和Raman等测试方法对接枝过程进行了分析。CA-GO作为锂离子电池负极材料具有如下优点:（1）高导电性的石墨烯提高了电子和离子的传输能力;（2）共价连接在石墨烯片层上,可以有效地防止活性材料在有机电解液中的溶解。得益于这些优势,该电极材料展现出了很好的倍率性能和稳定的循环性能。在0.05 A g^-1电流密度下循环50周后仍有1589.2 mAhg^-1的高容量,容量保持率为94.2%。将电流密度提高至1,2,4和10 A g^-1时,CA-GO电极材料仍具有794.7,661.9,490.4和268.3 mAhg^-1的较高容量。第四,在众多负极材料中,Zn₂Ge O₄材料具有理论容量高,工作电压低和对环境友好等优点,被认为是极具潜力的新型高容量负极材料。我们通过水热合成法成功制备出了颗粒尺寸约20 nm且分散良好的Zn₂Ge O₄-C超小纳米颗粒复合材料。其中,极小的颗粒尺寸不仅缩短了锂离子和电子的扩散路程,同时有效缓解了充放电过程中较大的体积膨胀问题,并且材料中的无定型碳显著提高了材料整体的导电性。作为锂离子电池负极材料,Zn₂Ge O₄-C表现出了较好的可逆容量和循环稳定性。在0.1 A g^-1电流密度下循环30周后可逆容量仍高达1098.6 mAhg^-1,容量保持率为91.4%。在1.0 A g^-1的大电流密度下循环800周后仍具有340.9 mAhg^-1的高储锂容量。